Kas tumeaine kaob neutriinouttu?

Juba 1960. aastatel hakkasid füüsikud ja astronoomid aimama, et peale tavalise aine, millest koosnevad tähed ja planeedid, peab universumis ujuma ringi veel mingi nähtamatu aine. Sellele viitasid uuringud suurte tähekogumite ehk galaktikate ja ka galaktikaparvede sisemise liikumise kohta. Ainult nähtavatest tähtedest lihtsalt ei piisaks selleks, et galaktikaid koos hoida ja tähti vaadeldud moel liikuma panna. Tavalise ainega võrreldes peab galaktikates ja täheparvedes olema ligi kümme korda rohkem seda nähtamatut ollust, mida hakati nimetama tumeaineks.

Selles, et avastati tumeaine mõju galaktikatele ja galaktikaparvedele, on tähtis osa Eesti füüsikutel. Jaan Einasto, Enn Saar ja Ants Kaasik avaldasid 1974. aastal mainekas teadusajakirjas Nature mitu uurimistööd, mille vaatlusandmed viitavad tumeaine olemasolule galaktikates. Väikese riigi esindajatena õnnestub Eesti teadlastel kahjuks harva olla maailmateaduse paradigmade murdja. Tumeaine on üks neist harvadest kordadest: 1975. aastast kuni tänini on tumeaine teooria olnud ainuke viis, mis usutavalt seletab galaktikate ja galaktikaparvede käitumist.

Peale nende tõendite on kogunenud palju uusi andmeid, mis näitavad tumeaine mõju. Füüsikud on ülitäpselt mõõtnud ürgset mikrolainelist taustkiirgust, gravitatsiooniläätse efekte, universumi suuremõõtmelist struktuuri, helilaineid tavalises aines varajases universumis ja veel teisi nähtusi, mis kõik viitavad sellele, et tumeainet on universumis ligikaudu viis korda rohkem kui tavalist ainet.

Ometi on tumeaine endiselt väga suur mõistatus. Me tunneme seda tänini ainult raskusjõu kaudu: selle gravitatsioon hoiab koos galaktikaid, sealhulgas Linnuteed. Meie Linnutee nähtav tähtede ketas asub keset kerajat tumeainepilve. Me ei tea, mis osakestest tumeaine koosneb ja kui rasked need on. Põhimõtteliselt võib tumeaine koosneda näiteks nn ürgsetest mustadest aukudest (mis võisid tekkida ülivarajases ja kuumas universumis) või mingitest osakestest, mis vastastikmõjustuvad nähtava ainega ehk kvarkide ja elektronidega väga nõrgalt.

Et uurida võimalike tumeaineosakeste vastastikmõju tavalise ainega, ehitatakse tumeaine detektoreid. Need on välismõjude eest sügavale maa alla peidetud suured seadmed, mis üritavad leida neid üliharvu juhtumeid, kui mõni tumeaineosake siiski näiteks mõne aatomituumaga kokku põrkab. Maapinnal ei saa selliseid mõõtmisi teha, kuna maad pommitavad pidevalt kosmilistest kiirtest pärinevad osakesed müüonid: umbes 10 000 müüonit ruutmeetri kohta minutis. Selleks et tundlikke seadmeid nende müüonite eest varjata, tuleb minna ligi kilomeetri sügavusele maa alla.

Sääraste tundlike detektorite jaoks on välja mõeldud mitmesuguseid tehnoloogiaid. Levinuim lahendus on kasutada detektorina suurt mahutit läbipaistva vedelikuga, milles tekib väike valgussähvatus, kui mõni tumeaineosake aatomituumaga (täpsemalt ühe kvargiga aatomituuma prootonis või neutronis) kokku põrkab. Aga on ka teisi mooduseid, näiteks võib rakendada ülekuumenenud veeldatud väärisgaasi või madaltemperatuurseid pooljuhtkristalle.

Sügavale maa alla minek kaitseb tumeaine otsijaid müüonite eest, kuid on veel üks teine salapärane osake, mis neid maa allagi kollitama jõuab – neutriino. Neutriinod tekivad näiteks tuumareaktsioonides, aga väga palju neutriinosid pärineb ka varajasest universumist. Kuna neutriino vastastikmõjustumine oleneb energiast, siis neis väga tundlikes detektorites saame praegu näha ainult energeetilisemaid neist, näiteks Päikese tuuma termotuumareaktsioonidest pärinevaid neutriinosid või täheplahvatustest ehk supernoovadest pärit neutriinosid.

Praegu ei ole neutriinod veel eriline mure, ent detektorid muutuvad üha tundlikumaks, sestap võib neutriinomüra hakata probleeme valmistama. Varem on räägitud koguni «neutriinopõrandast», kartes et eriti nõrgalt interakteeruvaid tumeaineosakesi on neutriinode tõttu lausa võimatu otsida. «Neutriinopõrandast» on füüsikute kõnepruugis praeguseks saanud «neutriinoudu», mis hakkab segama tundlikke tumeaine otsinguid, kuid ilmselt neid täielikult ei välista.

Tumeaine- ja neutriinodetektorite ehitajatel on üks ühine soov: luua võimalikult suuri detektoreid. Selle põhjus on samuti üks: tavaliselt lähevad nii neutriinod kui ka tumeaine isegi maakerast läbi seda märkamata. (Umbes üks protsent tumeainest ongi muide neutriinod.) Üliharva võib aga juhtuda, et tumeaineosake või neutriino põrkab kokku mõne aatomituumaga. Detektoreid ehitavad suured rahvusvahelised kollaboratsioonid. Praegu on peamised tumeainedetektorid XENONnT Itaalias Gran Sassos, LZ Ameerikas Lõuna-Dakotas ja PandaX-4T Hiinas Sichuanis. Need otsivad suhteliselt raskeid tumeaineosakesi, mille mass on sarnane mõne aatomituuma massiga või märksa raskemgi.

XENON1T detektor Gran Sasso labori maa-aluses kambris. Vedela ksenooni mahuti asetseb suures ülipuhta vee mahutis vasakul. Paremal kolmekorruselises hoones paiknevad abiseadmed. Gran Sasso labor asub Itaalias 1400 meetri sügavusel kaljude all, et kaitsta seal tehtavaid väga tundlikke teaduslikke eksperimente kosmilise müüonkiirguse eest. Foto: XENON1T / ROBERTO CORRIERI, PATRICK DE PERIO

Kuna siiani pole raskete osakeste tumeainest olnud märki, ehitatakse üha suuremaid detektoreid. Enamasti otsitakse seal tumeainet suures mahutis, mis on täis veeldatud väärisgaasi ksenooni. Ent isegi raskem kui tumeaine signaali leida on suruda alla müra, sest tumeaine põrget tuumaga võib jäljendada näiteks kõige tavalisem radioaktiivne lagunemine. Varem oleme Horisondis (2020, nr 4) lähemalt kirjutanud Itaalias Gran Sassos asuva XENON1T detektoris nähtud anomaaliast. See osutuski müraks, mida oli põhjustanud triitiumi – vesiniku üliraske isotoobi – radioaktiivne lagunemine.

2024. aastal jõudsid kaks suurimat tumeaineotsingute eksperimenti selleni, et nende seadmed tuvastasid küllaltki suure statistilise kindlusega neutriinode põhjustatud müra ehk neutriinoudu. Seda on kinnitanud XENON1T edasiarenduse XENONnT Gran Sassos ja PandaX-4T Hiina Jinpingi maa-aluses laboris tehtud teadustööd.

Kas neutriinoudu tähendab, et tumeaine otsingutel on lõpp? Sugugi mitte. Neutriinod hakkavad tunduvalt segama alles järgmise kümne aasta eksperimente. Nendeks on XENON-i, LZ-i ja Darwini ühisprojekt kujutlusvõimetu nimega XLZD ja hiinlaste PandaX-xT. Mõlemad katsed, mille detektorites kavatsetakse kasutada mitukümmend tonni vedelat ksenooni, jõuavad otsapidi tugevama neutriinoudu piirile.

Ka neutriinoudu sees saab tumeainet põhimõtteliselt neutriinodest eristada. Appi tuleb tumeaine voo suuna mõõtmine. Kui Maa tiirleb ümber Päikese, liigub Maa pool aastat pigem samas suunas nagu Päike tiirleb ümber Linnutee keskme, pool aastat aga vastassuunas. Esimesel juhul põrkavad tumeaineosakesed aatomituumadega suurema kiirusega ja signaal on tugevam, teisel juhul väiksema kiirusega ja signaal on nõrgem. Nii saab tumeaine signaali eristada Päikeselt tulevast neutriinomürast, mis on kogu aeg ühesugune.

Neutriinoudu neutriinod, mida XENONnT ja PandaX-4T on mõõtnud, pärinevad Päikese südamest. Teatavasti kulgevad seal pidevalt termotuumareaktsioonid, kus kergemate elementide, nagu vesinik ja heelium, aatomituumad, ühinevad raskemateks. Nende raskemate tuumade seas on boori radioaktiivne isotoop boor-8, mille lagunemisel omakorda tekivad neutriinod. Need neutriinod põrutavad otse läbi Päikese väliskihtide ja ka maakera. Seega pakuvad neutriinod võimalust otseselt mõõta Päikese sees toimuvat ja on väga tähtis lisainfoallikas Päikese füüsikaga tegelevatele füüsikutele. Tumeaine otsijate õnnetus on päikesefüüsikute õnn.

Andi Hektor (1975) on ettevõtte GScan OÜ kaasasutaja ja strateegiajuht ning keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle tegevuse põhisuund on müüontomograafia rakendused.

Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.

Artikkel ilmus ajakirja Horisont veebruari-märtsi numbris.